JP2007124802A - 車両駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】必要最小限の発電装置と少ない蓄電装置容量で特急など高速で長距離を運行する場合にも加速力の低下を起こさない鉄道車両駆動システムを提供すること。
【解決手段】発電装置と、発電電力を変換する第１の電力変換機と、それによって変換された電力を蓄える蓄電装置と、第１の電力変換機の出力電力と車両を駆動する電動機の電力とを相互に変換する第２の電力変換機と、発電装置並びに第１および第２の電力変換機を制御する列車制御装置と、列車制御装置に駆動指令を出力する運転台と、を有し、列車制御装置は、蓄電装置容量，エンジン出力，加速特性で決定される速度毎の蓄電装置の充電量を示した蓄電装置管理曲線を有し、制動時および力行時以外の動作において、蓄電装置量が蓄電装置管理曲線の上にあるか下にあるかで発電装置の出力を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電装置等のエネルギー蓄積装置とディーゼルエンジン発電機等の発電装置を搭載した車両駆動システムに関する。

鉄道路線において運行本数の比較的少ない地方路線では、ディーゼルエンジンを動力源とした気動車による旅客輸送が主流である。気動車は、架線・変電設備が不要となるため、保線作業に要する人的パワー・コストを抑えることができるが、車両には、エンジン・液体変速機など機械部品を多く用いていることから、メンテナンスに要する人的パワー・コストが増大するとともに、一般的な電車では使用できる電力回生ブレーキを使用することができないため、省エネや二酸化炭素の排出量削減目標を達成できない可能性がある。
この問題を解決する車両として、発電手段と蓄積手段を備え、蓄電装置管理基準パターンと蓄電装置実蓄電量との差分量に基づいて調整した発電出力と蓄積手段の発生する電力との和で決定される電力で鉄道車両を駆動する技術がある。

特開２００４−２８２８５９号公報

しかしながら、特許文献１で記された技術では、特急など高速で長距離を運行する場合には、回生や惰行が少ないことから、走行するに従って蓄電量は少なくなり、蓄電量が使用領域の下限値になった後は、蓄電装置からの出力はなくなるため、発電手段からの出力のみになるため、発電装置のみで加速力を満たすケース以外は、加速力の低下が起き、予定通りの運行に影響を与える。また、加速力の低下をさせないためには、発電装置のみで加速力を満たすか、蓄電装置の容量を増やす必要があるが、前者は、発電装置を大容量化することであり、システムの性能として冗長になり、さらに、鉄道車両の重量を増加させるため、運行に必要なエネルギーを増加させる問題も生じる。また、後者も、鉄道車両のスペースが限られていることから、搭載できる蓄電装置容量も限られ、更に、大容量の蓄電装置容量を搭載することは、鉄道車両の重量を増加させるため、運行に必要なエネルギーを増加させる問題も生じる。

本発明の課題は、必要最小限の発電装置と少ない蓄電装置容量で特急など高速で長距離を運行する場合にも加速力の低下を起こさない鉄道車両駆動システムを提供することにある。

本発明は、燃料により発電するディーゼルエンジン１つ以上とその動力で発電する発電装置と、発電装置の電力を変換する第１の電力変換機と、それによって変換された電力を蓄える蓄電装置と、第１の電力変換機の出力電力及び／又は蓄電装置の電力と車両を駆動する電動機の電力とを相互に変換する第２の電力変換機と、発電装置並びに第１および第２の電力変換機を制御する列車制御装置と、列車制御装置に駆動指令を出力する運転台と、を有し、車両を駆動する電動機の最大出力電力を出す為に、蓄電装置がアシストしなければいけない電力量が、発電装置が最大発電した時に出す電力の半分以上であって、列車制御装置は、蓄電装置容量，エンジン出力，加速特性で決定される速度毎の蓄電装置の充電量を示した蓄電装置管理曲線を有し、制動時および力行時以外の動作において、蓄電装置量が前記蓄電装置管理曲線の上にあるか下にあるかで発電装置の出力を決定する構成とする。

好ましくは、前記発電装置が最大発電するとは、前記ディーゼルエンジンが最大出力運転を行うことで発生する動力で発電することを示す構成とする。

また列車制御装置が有する蓄電装置管理曲線は、車両が速度ｘの時の蓄電装置の充電量を使用範囲の上限とし、鉄道車両が速度ｘから最大速度まで最大加速で走行する場合に、発電装置を最大出力した想定で、蓄電装置の充放電電力を計算し、速度毎の蓄電装置の充電量を決定する構成とする。

必要最小限の発電装置と少ない蓄電装置容量で特急など高速で長距離を運行する場合にも加速力の低下を起こさない鉄道車両駆動システムが提供できる。

図１は、本発明の一実施形態による鉄道車両の概略構成図である。

図１では、車両のうち３つの車両に電動機２が搭載され、この複数の電動機２によって列車全体が駆動される。尚、電動機２が搭載されている車両は３両に限られるものではなく、また運転台１０が搭載されている先頭車両に電動機２が搭載されていなくても良い。電動機２としては、３相交流電動機（誘導電動機又は同期電動機）が一般的である。この電動機２に電力を供給するために、通常は蓄電装置６の直流電力が電力変換装置５で交流化されて電動機２に供給される。またこの電力変換装置５には、蓄電装置６からの電力のみならず、発電装置４から電力変換装置３を介して電力が供給される。

発電装置４は、例えばディーゼルエンジン等の動力発生装置（以下、エンジンと略称）と発電機が組合わされて構成される。このエンジンは、排気を制御することによって、排気ブレーキとして働かせることが可能である。

蓄電装置６は、ニッケルカドミウム電池，リチウムイオン電池，鉛電池などのように充放電可能な蓄電装置で構成されている。この蓄電装置６を制御する制御装置１４は、蓄電装置６の蓄電量を、例えば蓄電装置６の充放電電流を検出してそれを積算することなどにより把握する機能を有する。

列車制御装置９は、運転台１０から運転手の指令を受取って、発電装置４の制御装置
１３，電力変換装置３の制御装置１２，電力変換装置５の制御装置１１，蓄電装置制御装置１４、また図示しない空気ブレーキ制御装置を制御する。

尚、蓄電装置６および列車制御装置９は、運転台１０のある車両に搭載されていなくても良い。

また、図示しないが図１のように複数車両の編成車両ではなく、１両編成の車両であっても、その車両に電動機２，電力変換装置３，発電装置４，電力変換装置５，蓄電装置６，列車制御装置９，運転台１０，電力変換装置５の制御装置１１，電力変換装置３の制御装置１２，発電装置４の制御装置１３，蓄電装置６の制御装置１４、および図示しない空気ブレーキ制御装置を含んでいれば、本発明は適用可能である。

図２に発電装置４をエンジンと発電機とした場合の、エンジンの動力制御ノッチとの出力、及び燃料消費率の関係の一例を示す。図２は、エンジンが１つの場合の特性を示す。ここで挙げた例では、動力制御ノッチが１のときが燃料消費率が最も少ない出力であり、以下ではこれを最適燃費出力点とする。動力制御ノッチが２のときが最大蓄電装置充電電力に相当する出力であり、以下ではこれを最大蓄電装置充電電力点とする。また動力制御ノッチが３のときが最大出力点である。また、図示していないアイドルおよび停止の動作をするポイントを備えている。なお、この特性はエンジンによって異なり、例えば、動力制御ノッチが２としている最大蓄電装置充電電力点が動力制御ノッチが１の最適燃費出力点あるいは、動力制御ノッチが３の最大出力点と同じになる場合もある。

本発明において、車両に搭載されているエンジンが１つの場合には、力行時には動力制御ノッチが３の最大出力点、制動時には、図示していないアイドルもしくは停止の動作、それ以外では、動力制御ノッチが２としている最大蓄電装置充電電力点で運転するように制御する。

また、車両に搭載されているエンジンが複数の場合には、力行時に用いられる最大出力点については、搭載されているエンジンの動作を動力制御ノッチが３、制動時には、搭載されているエンジンの動作を図示していないアイドルもしくは停止の動作であり、搭載されているエンジンが１つの場合と同じであるが、それ以外の場合には、搭載されているエンジンの動作を動力制御ノッチが２としている最大蓄電装置充電電力点とする以外に、搭載されているエンジンの動作をそれぞれ動力制御ノッチが１〜３に変更し、その合計値が最大蓄電装置充電電力点となるように組合わせて行うことでも可能である。

なお、ここで設定したノッチはアイドルおよび停止を含めて５ポジションであるが、用途に応じてポジション数が５ではなくても、本発明は適用可能である。

図３に本実施形態のフローチャート、および図４にタイムチャートを示す。

図４における期間Ａ，Ｄは力行状態を示す。

図３のステップ６０１で制御開始後、ステップ６０２で運転台の指令がブレーキであるかどうかが判断される。ブレーキ以外なので、ステップ６０３に進む。ステップ６０３では、力行指令かどうかを判断し、力行指令であることから次にステップ６０８に進む。
ステップ６０８では、すべての発電装置を最大運転させ、ステップ６０９に進む。

ステップ６０９では、現在の発電装置の出力状態から、蓄電装置の充放電電力を決定し、ステップ６１０に進む。ステップ６１０では、ステップ６０９で求めた蓄電装置の充放電量が放電量かどうかを判定し、放電量であれば、ステップ６１１に進み、それ以外ではステップ６１４に進む。ステップ６１１は、蓄電装置からの放電を伴うため、充電量が使用範囲の下限にあたる閾値βを超えているかを判断する。超えていなければ、ステップ
６１２の処理で、蓄電装置からの放電は行うことが出来ないので、蓄電装置の放電量を０にして、終了となる。閾値βを超えていれば、ステップ６１３の処理で、ステップ６０９で求めた蓄電装置の放電量に相当する放電を行い、終了となる。

一方、ステップ６１４では、蓄電装置に充電を行うため、充電量が使用範囲の上限にあたる閾値αを超えているかを判断する。超えていなければ、ステップ６１５の処理で、ステップ６０９で求めた充電電力が蓄電装置の最大充電電力を超えていなければステップ
６１３で蓄電装置への充電を行い、終了となる。

また、ステップ６１４で閾値αを超えた場合、あるいは、ステップ６１５の処理で行うステップ６０９で求めた充電電力が蓄電装置の最大充電電力を超えているかどうかで、超えていれば、ステップ６１６に進み、ステップ６１６，６１７，６１８，６１９，６２０で起動済みの発電装置のうち最大出力点で運転しているものを順次高効率点運転に、またすべての発電装置が高効率運転している場合には、順次停止（またはアイドル状態と）する。

図４における期間Ｂ，Ｃは惰行状態を示す。

図３のステップ６０１で制御開始後、ステップ６０２で運転台の指令がブレーキであるかどうかが判断される。ブレーキ以外のため、ステップ６０３に進む。ステップ６０３では、力行指令かどうかを判断する。力行指令でないことから次にステップ６０４に進む。
ステップ６０４では、蓄電装置の充電量が蓄電量管理曲線の充電量＋αを超えているかを判断し、超えていなければ、ステップ６０５に進む。ステップ６０５では、蓄電池の最大瞬間電力を超えない範囲で最も大きくなるように発電電力を調整し、ステップ６０７に進む。ステップ６０７では、指令を満たすように蓄電装置の充放電を行い、終了となる。一方、ステップ６０４で、蓄電装置の充電量が蓄電量管理曲線の充電量＋αを超えているかを判断し、超えていれば、ステップ６０６に進む。ステップ６０６では、発電装置の出力を０とし、ステップ６０７に進む。ステップ６０７では、指令を満たすように蓄電装置の充放電を行い、終了となる。なお、αは、制御のヒステリシスであり、発電装置が頻繁に動作の切り替えを行わないようにするために設定するものであり、蓄電容量の５％程度に設定すればよい。

図４における期間Ｅ，Ｆは制動状態を示す。

図３のステップ６０１で制御開始後、ステップ６０２で運転台の指令がブレーキであるかどうかが判断される。制動状態の場合は指令がブレーキであり、ステップ６２１で全ての発電装置の出力を停止（またはアイドル状態）とする。図４における期間Ｅの開始点がこれに相当する。

その後、ステップ６２２で蓄電装置が充電可能かどうかが判断される。充電可能の場合は、ステップ６２３で余剰の電力を蓄電装置に充電し、終了となる。図４では期間Ｅに相当する。

ステップ６２２で蓄電装置が充電不可能、すなわち蓄電装置の充電量が一杯になった場合は、これ以上、回生できないため、他の手段によって制動力を発生する必要がある。このとき、ステップ６２４で発電装置が排気ブレーキを利用可能かを確認し、可能であれば、ステップ６２５で空気ブレーキよりも優先的に発電装置の排気ブレーキを作動させる。図４の期間Ｆにあたる。また、ステップ６２４で、排気ブレーキが利用不可な場合、ステップ６２６で空気ブレーキを使用する。以上のどちらかの処理を行った後、終了となる。

以上の動作により、図４に示す期間Ｂ，Ｃの動作に相当しているブレーキおよび力行以外の運転である惰行や定速といった動作の場合には、蓄電装置の充電量及び最大充電電力量に応じた発電装置の運転を行うことができ、再力行の途中で蓄電装置の充電量がなくならないようにすることが可能となる。また、惰行後に回生を行う場合（図４に示す期間Ｅ，Ｆの動作に相当している）でも十分な回生を行うことができ、空気ブレーキやエンジンブレーキなどの使用時間を減らするこが可能となる。

本実施形態によれば、発電装置の最大出力運転を基本とした運転を行うことにより、少ない電池容量でも加速力の低下を防ぎ安定した走行が可能となる。

なお、本実施形態はシリーズハイブリッド方式で記述しているが、他のハイブリッド方式であっても適用可能である。

なお、本実施形態は鉄道に限らず、自動車，船体，飛行機などにおいても適用可能である。

本発明の一実施形態による列車の概略構成図を示す。 図１の発電装置４がエンジンの場合の動力制御ノッチとその出力、及び燃料消費率の関係を示す。 図１の実施形態のフローチャートを示す。 図１の実施形態のタイムチャートを示す。

符号の説明

１…鉄道車両、２…電動機、３，５…電力変換装置、４…発電装置、６…蓄電装置、９…列車制御装置、１０…運転台。

Claims (4)

1. １つ以上のディーゼルエンジンとその動力で発電する発電装置と、
   前記発電装置の電力を変換する第１の電力変換機と、
   前記第１の電力変換機によって変換された電力を蓄える蓄電装置と、
   前記第１の電力変換機の出力電力及び／又は前記蓄電装置の電力と車両を駆動する電動機の電力とを相互に変換する第２の電力変換機と、
   前記発電装置並びに前記第１および前記第２の電力変換機を制御する列車制御装置と、
   前記列車制御装置に駆動指令を出力する運転台と、を有し、
   前記列車制御装置が、蓄電装置容量と、エンジン出力と、加速特性とで決定される速度毎の蓄電装置の充電量を示した蓄電装置管理曲線を有し、
   車両を駆動する電動機の最大出力電力を出す為に、前記蓄電装置がアシストしなければいけない電力量が、前記発電装置が、前記ディーゼルエンジンが最大出力運転を行うことで発生する動力で発電した時に出す電力の半分以上であって、
   前記列車制御装置に力行運転指令および制動運転指令がない場合、前記列車制御装置は、前記蓄電装置の充電量が前記蓄電装置管理曲線よりも低いかどうかを判定し、低い場合には、前記発電装置の出力電力を、蓄電装置の瞬間最大充電電力を超えないように制御し、前記発電装置の出力電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とする車両駆動システム。
2. 請求項１記載の車両駆動システムにおいて、
   前記列車制御装置は、前記蓄電装置の充電量が前記蓄電装置管理曲線よりも高い場合には、前記発電装置の出力電力を０になるように制御し、前記発電装置の出力電力を前記蓄電装置に充電させないことを特徴とする車両駆動システム。
3. 請求項１または請求項２記載の車両駆動システムにおいて、
   前記列車制御装置に力行運転指令が出された場合、前記蓄電装置の充電量が前記蓄電装置の使用範囲の最大値である第１の閾値および前記蓄電装置の使用範囲の最小値である第２の閾値の間にあるときは、備えているすべての発電装置を最大出力運転させるとともに、前記発電装置の最大出力運転による電力と前記蓄電装置の放電電流と前記蓄電装置の電圧から求まる前記蓄電装置の電力の和が、前記運転台からの駆動指令に基づいて求められる前記鉄道車両の走行に必要な駆動電力となるように、前記蓄電装置の放電電流を制御することを特徴とする車両駆動システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両駆動システムにおいて、
   前記発電装置の最大出力運転とは、前記発電装置の最大値近傍５％を含むことを特徴とする車両駆動システム。
   
   

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